中国科学院大学《现代信号处理》课程公式汇总(1)

一. 离散时间信号与系统

单位样本序列:

\delta (n)=\begin{cases}1&n=0\\0&n\neq0 \end{}

单位跃阶序列:

u(n)=\begin{cases}1&n\geq0\\0&n<0 \end{}

常用的离散序列除了以上两个,还有sin nw,R(n)

实值指数序列:

x(n)=a^n,\quad a\in R

实值指数序列和单位样本序列可以形成一般序列:

x(n)*\delta (n)

二. 取样定理

取样定理需要满足频谱不重叠条件,如下:

\Omega_s\geq 2\Omega_{max}

(先占坑,后面再解释)

三. 傅里叶变换

任一周期信号都可以分解为无穷多个不同频率的正弦信号和,即傅里叶级数。

正变换如下:

X(j\Omega)=\int_{-\infty}^\infty x(t)e^{-j\Omega t}dt

反变换如下:

x(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^\infty X(j\Omega)e^{j\Omega t}d\Omega

傅里叶变换缺乏时间和频率的定位功能,只适合于时不变信号。

四. 小波变换

小波变换提供了一个在时、频平面上可调的分析窗口,如下:

WT(a,b)=\frac{1}{\sqrt{a}}\int x(t)\phi^*_{a,b}(\frac{t-b}{a})dt

小波变换扩展了信号时频分析的概念,在信号分辨率方面具有对信号特点的适应性。

五. 双线性变换

由模拟滤波器基本单元1/S数字仿真导出双线性变换式:

s=\frac{2(1-z^{-1})}{T(1+z^{-1})}

将此式子做一点点变换,可得:

z=\frac{2/T+s}{2/T-s}

六. 能量信号与功率信号

6.1 能量信号(Energy Signals)

若信号x(n)的能量满足:

E=\sum_{n=-\infty}^\infty|x(n)|^2<\infty

则称信号x(n)时能量有限信号,简称能量信号。

6.2 功率信号(Power Signals)

对于周期信号、随机信号和阶跃信号,E都是无穷大的,所以通常通过研究其平均功率来研究此类信号。信号x(n)的平均功率定义为如下:

P=\lim_{N\to \infty}\frac{1}{2N+1}\sum_{n=-N}^N x^2(n)

如果P<\infty,则称x(n)为功率有限信号,简称功率信号。

七. 随机信号

如果信号在每个时刻的取值时随机变量,则称为随机信号,也可以叫随机过程、随机函数或随机序列。

随机信号满足如下两个性质:

  1. 随机信号在任何时间的取值都是不能先验确定的随机变量;
  2. 随机信号的取值可以服从某种统计规律,可以用概率分布特性统计地描述;

例题

s(t)=cos(\omega_0t+\theta),式子中随机变量\theta[-\pi,\pi]中服从均匀分布,计算其概率密度函数。

解:

概率密度函数如下:

f(\theta)=\begin{cases}\frac{1}{2\pi},&-\pi\leq\theta\leq\pi\\0,&others \end{}

八. 误差能量

8.1 最小误差能量

设x(n)和y(n)为能量信号,将y(n)适当放大或缩小a倍,来使得二者尽可能相对应,可以取它们的误差能量来衡量它们的相似性。误差能量定义为如下:

\epsilon^2=\sum_{n=-\infty}^\infty[x(n)-ay(n)]^2

当a满足如下等式时,\epsilon^2取最小值:

\frac{\partial\epsilon^2}{\partial a}=0

易得此时的a可求得如下:

a_{opt}=\frac{\sum_{n=-\infty}^\infty x(n)y(n)}{\sum_{n=-\infty}^\infty y^2(n)}

将此时的a代入原误差能量可得其最小值:

\epsilon^2_{min}=\sum_{n=-\infty}^\infty x^2(n)-\frac{[\sum_{n=-\infty}^\infty x(n)y(n)]^2}{\sum_{n=-\infty}^\infty y^2(n)}

此结果告诉我们,当aa_{opt}时,x(n)与ay(n)的误差能量最小,可以理解为此时的x(n)与ay(n)最相似。

8.2 相对最小误差

定义相对最小误差如下:

\bar \epsilon_{min}^2=\frac{\epsilon_{min}^2}{\sum_{n=-\infty}^\infty x^2(n)}

将求的最小误差代入,进一步化简相对最小误差可得:

\bar\epsilon_{min}^2=1-\frac{[\sum_{n=-\infty}^\infty x(n)y(n)]^2}{[\sum_{n=-\infty}^\infty x^2(n)\sum_{n=-\infty}^\infty y^2(n)]}

将上式子中取一个代表式子:

\rho_{xy}=\frac{\sum_{n=-\infty}^\infty x(n)y(n)}{[\sum_{n=-\infty}^\infty x^2(n)\sum_{n=-\infty}^\infty y^2(n)]^{\frac{1}{2}}}

施瓦茨不等式定理:

|\sum_{n=-\infty}^\infty x(n)y(n)|\leq[\sum_{n=-\infty}^\infty x^2(n)\sum_{n=-\infty}^\infty y^2(n)]^\frac{1}{2}

根据施瓦茨不等式,可得:

\rho_{xy}\leq1

根据能量定理,x(n)和y(n)的能量是有限的,且分别定义为如下:

\sum_n x^2(n),\sum_n y^2(n),

由此可得两者乘积:

E_{xy}=\sum_{n=-\infty}^\infty x^2(n)\times \sum_{n=-\infty}^\infty y^2(n)=constants

上式子中“constants”代表常数。

所以实际上,\rho_{xy}的大小完全由其分子确定,将分子单独记为如下:

r_{xy}=\sum_{n=-\infty}^\infty x(n)y(n)

所以原式子\rho_{xy}可表示为如下:

\rho_{xy}=\frac{r_{xy}}{\sqrt{E_{xy}}}

实际上\rho_{xy}r_{xy}均代表信号x(n)和y(n)间的相关系数。

此时可得如下五个结论:

  • r_{xy}=\sqrt {E_{xy}}时,\rho_{xy}=1,这时\bar\epsilon_{min}^2=0,理解为x(n)与y(n)最相似;
  • r_{xy}=0时,\rho_{xy}=0,这时\bar\epsilon_{min}^2=1,理解为x(n)与y(n)完全不相似;
  • \rho_{xy}r_{xy}都可以用来描述x(n)与y(n)的相似程度;
  • \rho_{xy}是归一化相关系数,变化范围在\pm1之间;
  • r_{xy}反应了x(n)与y(n)的实际相似性;

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